RS-485總線電路中的過熱保護

2 過熱保護的起因
2．1 故障條件
2．1．1 短路
短路是產(chǎn)生TSD觸發(fā)的最常見故障。短路時器件結(jié)溫迅速上升，直至超出所推薦的工作條件。短路分為硬短路(低阻抗)和軟短路(中度阻抗)。短路可能在器件總線引腳與電源(電池、穩(wěn)壓電源)、總線引腳與地、總線引腳與總線引腳之間產(chǎn)生，如圖1所
示。硬短路通常導(dǎo)致TSD在器件的低阻抗輸出端觸發(fā)，這是由于驅(qū)動器輸出端吸入或源出的電流大大高于正常電流,并且驅(qū)動電流通常超出正常工作電流幾個數(shù)量級。例如,器件正常工作時RS-485驅(qū)動電流約為30 mA，而短路時則高于200 mA。軟短路可能導(dǎo)致電路TSD觸發(fā),主要取決于短路阻抗、短路電壓、驅(qū)動器輸出能力、器件封裝、電路板的散熱特性以及短路持續(xù)時間等因素。當(dāng)結(jié)溫超過TSD觸發(fā)點時，TSD開啟，線路驅(qū)動器輸出關(guān)閉。

2．1．2 總線競爭
總線競爭屬于數(shù)據(jù)傳輸總線故障，可能導(dǎo)致線路TSD觸發(fā)。當(dāng)掛接在一條數(shù)據(jù)總線上的兩個或兩個以上驅(qū)動器同時將總線驅(qū)動為相反狀態(tài)時，則產(chǎn)生總線競爭，如圖2所示。總線競爭是短路的另一種表現(xiàn)形式,一般是在兩個或兩個以上驅(qū)動器的總線引腳之間產(chǎn)生,而不是在總線引腳與電源之間或同一驅(qū)動器的總線引腳之間產(chǎn)生。地電壓偏置VOFFSET會加劇總線競爭,地電壓偏置越大，驅(qū)動器之間的電位差越高,則短路電流越大，短路電流超過門限時驅(qū)動器處入短路狀態(tài)。短路電流門限越高，地電壓偏置量恒定時器件結(jié)溫越高，結(jié)溫超過極限時TSD觸發(fā)，同時調(diào)節(jié)器件結(jié)溫。

2．2 雙極型晶體管的熱耗散
雙極型晶體管集電極電流IC具有正溫度系數(shù)。雙極型晶體管溫度越高，輸出電流IC就越大。高溫下，雙極型晶體管內(nèi)部載流子濃度nI，較大。由于IC與nI成正比，因此輸入電壓Vbe相同時，電流較大。

高溫時雙極型晶體管輸出電流較大，如果電路設(shè)計不當(dāng)，無法限制輸出電流，容易產(chǎn)生熱失控，如圖3(a)所示。雙極晶體管采用共射極接法，構(gòu)成低側(cè)驅(qū)動器，帶小阻值電阻負載。當(dāng)雙極型晶體管導(dǎo)通時射極電流增加使結(jié)溫上升，這樣流過雙極晶體管的電流更大。如果大電流使得結(jié)溫進一步上升，則形成正反饋,導(dǎo)致溫度和電流無限上升，直至雙極晶體管由于熱擊穿而被燒壞。通過短路電流(OOS)限制、射極負反饋和／或熱關(guān)斷等方法來避免雙極晶體管熱失控，且不宜單獨啟用TSD。如圖3(b)和3
(e)所示。TSD電路應(yīng)與上述方法相配合，最大限度提高承受雙極晶體管熱失控能力。

2．3 高環(huán)境溫度或高信號速率
環(huán)境溫度過高導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸期間器件結(jié)溫超過絕對最大額定值，這是過熱的另一種表現(xiàn)。當(dāng)器件從電源吸收足夠電流，造成結(jié)溫升高直至高于環(huán)境溫度時，啟用TSD電路降低器件結(jié)溫。由于TSD電路能關(guān)斷驅(qū)動器，因此只有當(dāng)線路驅(qū)動器傳輸數(shù)據(jù)時才使用TSD降低器件結(jié)溫。
高信號傳輸速率也能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸期間器件結(jié)溫超過絕對最大額定值，這也是過熱的另一表現(xiàn)。由于驅(qū)動器的高信號速率是造成電路功耗過高的主要原因,因此通常使用TSD降低器件結(jié)溫。接收器的功耗通常比驅(qū)動器小得多，因此，當(dāng)信號速率較高時,接收器不會導(dǎo)致結(jié)溫大幅上升。
若對環(huán)境溫度、負載條件、信號傳輸速率以及應(yīng)用中電路板的熱環(huán)境遵循器件制造商推薦的參數(shù)進行控制，可避免產(chǎn)生上述兩種過熱。

3 過熱保護的實施
3．1 驅(qū)動器輸出電流與結(jié)溫的關(guān)系
電路設(shè)計時加入TSD電路主要是應(yīng)對某些故障事件。造成結(jié)溫升高的主要故障是短路及總線競爭。將驅(qū)動器輸出置為三態(tài)可使器件在過熱時免于損壞,因為可對因短路或總線競爭事件導(dǎo)致的較高結(jié)溫進行調(diào)節(jié)，使其暫時維持一個較低值。圖4為驅(qū)動器輸出電流與結(jié)溫的曲線圖。當(dāng)結(jié)溫升至觸發(fā)點時,TSD發(fā)出信號使驅(qū)動器進入三態(tài)，可使驅(qū)動器輸出電流降低至0 mA且結(jié)溫也隨之下降。那么，當(dāng)結(jié)溫降至觸發(fā)點時，驅(qū)動器再次打開。需要注意的是,溫度升高至超過結(jié)溫觸發(fā)點和溫度降低至低于結(jié)溫觸發(fā)點時均存在遲滯，可避免TSD電路輸出的噪聲和電壓彈跳躍。

3．2 過熱保護時驅(qū)動器輸出電流與時間的關(guān)系
圖5為短路時SN65LBC176A驅(qū)動器輸出電流隨時間變化曲線圖，測試裝置如圖6所示。示波器的通道1是總線引腳電壓Vbus。通道2是短路時總線引腳的短路電流。A點，由于短路時器件結(jié)溫升高導(dǎo)致的熱效應(yīng)使TSD觸發(fā)，驅(qū)動器輸出三態(tài),電流降低至0 mA。約2 μs后，電路結(jié)溫下降，驅(qū)動器返回B點,如果A點后2μs內(nèi)排除故障，驅(qū)動器返回到打開狀態(tài)并正常工作。然而，短路依然存在，因此TSD循環(huán)打開和關(guān)閉,直至短路消失。短路消失后驅(qū)動器正常工作，而無需再次對器件上電。

由圖5看出，TSD的持續(xù)時間約為4 μs。電流和電壓波形均具有瞬變噪聲信號，是由寄生電感、總線電容以及測試裝置的電阻產(chǎn)生。寄生電感的感應(yīng)沖擊導(dǎo)致總線電壓初始值很高。突變啟動電壓、寄生電感、總線電容以及測試裝置的電阻將導(dǎo)致電壓和電流波形振動和衰減，主要取決于LRC時間常數(shù)。應(yīng)用中傳輸線效應(yīng)使寄生電感減至最低,因此影響并不顯著。
3．3 熱關(guān)斷電路
盡管TSD電路可使器件在短路時免于損壞,但若此類故障頻繁產(chǎn)生，則TSD電路也無法保護器件。TSD電路主要用途是使器件免受短時間故障損壞，僅增加了可靠性。因此，建議設(shè)計人員應(yīng)限制短時間故障的次數(shù)，從而保證長期的可靠性。
3．4 結(jié)溫調(diào)節(jié)
短路電流(IOS)限制、電壓模式檢測、電流折返3種技術(shù)可用于結(jié)溫調(diào)節(jié)。RS-485等數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)通常需要限制IOS，可防止器件供電電源吸收電流過大，使器件不會由于故障立即損壞。由于TSD電路的時間常數(shù)比IOS限制電路的時間常數(shù)大，因此IOS限制是結(jié)溫調(diào)節(jié)的主要措施。IOS電路可立即工作，而觸發(fā)TSD電路則需要數(shù)百毫秒到幾秒鐘的時間。當(dāng)器件的總線I／O電壓超出推薦工作條件時,可采用電壓模式檢測關(guān)閉驅(qū)動器輸出。Vbus增加時IOS下降，采用電流折返調(diào)節(jié)器件功耗。SN65HVD2X系列器件如SN65HVD20、SN65HVD21、SN65HVD22、SN65HVD23和SN65HVD24均支持此類短路限制。電流折返不僅限制功耗，更是為了使驅(qū)動器能夠在驅(qū)動共模負載時保持導(dǎo)通。例如SN65HVD2X系列器件支持-20 V～+25 V的總線電壓，當(dāng)總線電壓低于-20 V或超出+25 V時，檢測啟動電壓模式,但不會限制支持的共模電壓范圍內(nèi)的功耗。

4 過熱保護的可靠性
為了保護器件，需使用TSD電路實現(xiàn)過熱保護。當(dāng)器件由于某些故障而處于過熱時,TSD電路以及其他電路(包括穩(wěn)壓器)是可靠的解決方案。
4．1不同熱關(guān)斷觸發(fā)點
理論上TSD觸發(fā)點可以不同,是TSD保護器件不受過熱損壞的主要因素。如果TSD在高溫下觸發(fā)，會危及器件的可靠性。如果TSD在低溫下觸發(fā),則會干擾器件正常工作。構(gòu)建TSD電路的具體方式取決于不同的觸發(fā)點。
器件參數(shù)指標(biāo)中一般未給出熱關(guān)斷觸發(fā)點。原因在于：第一，TSD觸發(fā)點的生產(chǎn)試驗周期很長,成本過高。TSD需要幾百毫秒到幾秒鐘才觸發(fā),具體由硅的熱時間常數(shù)決定。對于RS一485器件,通常試驗時間為數(shù)百毫秒，因此，TSD觸發(fā)點未經(jīng)生產(chǎn)測試。第二，通過模擬或手工方式計算的TSD觸發(fā)點極值通常并不精確。主要在于仿真模型和工藝技術(shù)數(shù)據(jù)一般僅限于溫度不大于150C。TSD電路在高于150C觸發(fā)時，模擬器或手工計算無法很好地對其仿真。TSD電路通常用簡化公式來設(shè)計,手動歸一化，然后在硅中調(diào)整規(guī)定的觸發(fā)點。如果將額定觸發(fā)點刻意調(diào)整至低于150C，模擬器可以給出有關(guān)TSD觸發(fā)點相對變化情況的信息。但是，不能提供絕對觸發(fā)點的精確信息，除非模擬器設(shè)計為工作在150C以下，而這并非器件所處的典型環(huán)境。
4．2半導(dǎo)體材料最大允許溫度
4．2．1 硅材料及擴散
硅本身能耐受遠遠超過150C的高溫。硅的熔點是1 415C。不過，硅的有用溫度范圍受臨界溫度限制，臨界溫度遠低于熔點。生產(chǎn)工藝過程中溫度高于150C且遠低于1 415C時,根據(jù)摻雜濃度的不同，半導(dǎo)體在某溫度點變?yōu)楸菊鲬B(tài)。半導(dǎo)體變?yōu)楸菊鲬B(tài),意味著形成半導(dǎo)體結(jié)的雜質(zhì)的摻雜濃度不再是主導(dǎo)載體濃度。
4．2．2 電子遷移及閉鎖
高溫工作時還需要考慮電子遷移和閉鎖。當(dāng)半導(dǎo)體長時間暴露在高溫下且流過大電流時，發(fā)生電子遷移,導(dǎo)致金屬系統(tǒng)或互連半導(dǎo)體成為高阻狀態(tài)。溫度恒定時，如果施加足夠大的電流且時間足夠長，金屬會變成阻性,最終熔斷并導(dǎo)致器件發(fā)生故障。高溫會加劇電子遷移，影響器件的長期可靠性，且與依靠TSD來應(yīng)對的短時間故障無關(guān)。
閉鎖是器件I／O或電源從I／O端連接的電源或器件電源吸收大量電流(通常為數(shù)百毫安秒)時產(chǎn)生的現(xiàn)象。引腳流出超過絕對最大額定值電流的時間太長或交流信號耦合機制的影響會造成閉鎖。電源電壓瞬變引發(fā)器件閉鎖,導(dǎo)致I／O端出現(xiàn)振鈴，振鈴
信號能量耦合I／O從而使其閉鎖。閉鎖的破壞性，取決于鎖存引腳的阻抗、鎖存時電源阻抗及兼容性以及結(jié)溫。軟閉鎖不會破壞器件，但需要電源復(fù)位。閉鎖是由半導(dǎo)體內(nèi)部的雙極性結(jié)引起的，由于雙極增益隨溫度增加,因此高溫時容易誘發(fā)閉鎖事件。TSD電路可使器件結(jié)溫保持在合理的水平，有助于防止閉鎖。
4.2．3 封裝材料
過熱應(yīng)力下需要考慮封裝部分如引線框架、塑封料及焊線的材料。新興的綠色和無鉛化合物支持高焊接溫度，允許在260C時短時焊接，濕度敏感等級為1。然而，綠色和無鉛型塑封料也會降低高溫儲存壽命(HTSL)。
4．2．4長期高溫的影響
新興的綠色和無鉛塑封料在140C時的HTSL限制約為10年。在可靠性測試中可導(dǎo)致器件失效的主要機制是kirkendall空洞現(xiàn)象。隨著時間推移，半導(dǎo)體中連接焊線和焊盤的球鍵強度會被塑封料減弱。一旦球形結(jié)點的鍵合強度減弱到一定程度，就變?yōu)殚_路，最終導(dǎo)致器件故障。在對抗kirkendall空洞方面，銅的鍵合強度遠遠好于摻銅鋁焊盤。
負偏壓溫度不穩(wěn)定性(NBTl)也是造成器件高溫故障的一個重要原因。pMOS晶體管參數(shù)有較大漂移，NBTI便是其中一種表現(xiàn)形式。測試NBTI時，pMOS的柵極負壓偏置，其他端均為地電位(圖7)，測試裝置處于高溫。pMOS的參數(shù)在時間零點測量，通過測試確定這些條件下的參數(shù)偏移度，從而定義NBTI。溫度和偏置電壓足夠高時，pMOS的NBTI可以限制或完全影響晶體管性能。注意：由于pMOSNBTI的影響，閾值電壓Vt、電流驅(qū)動Id、和柵極電容Cg的漂移比較明顯。

4．2．5 半導(dǎo)體材料最大允許溫度
器件結(jié)溫較高時，會出現(xiàn)許多潛在的危險因素。采用綠色和無鉛封裝以及標(biāo)準(zhǔn)銅摻鋁焊墊時器件的HTSL較低，最有可能引發(fā)長期可靠性問題，因為形成kirkendall空洞效應(yīng)的溫度低于造成電子遷移的溫度。TSD電路調(diào)節(jié)器件結(jié)溫，可防止短路故障。TSD也有助于預(yù)防閉鎖。如果器件持續(xù)短路，TSD有助于器件持續(xù)工作更長的時間，但不能指望TSD可使器件始終在故障下工作。

5 結(jié)束語
在某些短時間故障下，TSD電路具有保護器件的功能。雖然TSD有助于器件長期可靠性，但它們并不是專門用于改善長期可靠性的。在器件的建議工作條件下正確使用是增強長期可靠性的唯一途徑。故障時短時間工作在絕對最大額定值是允許的,但長期工作在絕對最大額定條件下可能會影響器件的可靠性。
大多數(shù)TSD電路根據(jù)實驗測試設(shè)計,因為仿真器只限于工作在溫度低于TSD觸發(fā)點的環(huán)境。TSD電路的觸發(fā)點范圍相當(dāng)嚴格，應(yīng)保護器件同時不應(yīng)干擾正常工作?？刹捎枚喾N反應(yīng)速度快于TSD的技術(shù)來進一步限制器件結(jié)溫,從而保護器件。